Inconel 718: Die ultimative Superlegierung für additive Fertigung

Unsere Materials-Science-Serie stellt gängige Fertigungsmaterialien, ihre Eigenschaften und relevante Merkmale vor. Dieser Beitrag beleuchtet das additive Fertigungs-Material Inconel 718 – die Eigenschaften und typischen additiven Anwendungen dieser nickelbasierten Superlegierung.

Was ist Inconel?

Inconel gilt als „Superlegierung“. Nach dem Zweiten Weltkrieg entstand der Begriff für eine Gruppe Hochleistungslegierungen, entwickelt, um die Lebensdauer von Flugzeugkomponenten unter extremer Hitze zu verlängern.

Diese Brennkammer für einen Luftfahrt-OEM wurde additiv mit Inconel 718 gefertigt.

Legierungen sind Metallmischungen, die kombiniert werden, um eine Super-Mischung metallischer Eigenschaften wie Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erreichen. Superlegierungen – auch Hochleistungslegierungen, hitzebeständige Legierungen oder Hochtemperaturlegierungen genannt – sind Hauptmaterialien für Branchen wie Luftfahrt, Petrochemie, Autorennsport, Öl & Gas.

Inconel 718, 1965 in Massenproduktion skaliert, ist ein bekannter Nickel-Chrom-Arbeitsstoff der additiven Fertigung. Vereinfacht man den Carnot-Kreisprozess (effizientester Wärmemaschinenkreis): Höhere Verbrennungstemperatur = höhere Energieeffizienz = höhere Treibstoffeffizienz.

Deshalb sind Superlegierungen wie Inconel 718 kritisch für effiziente, kosteneffektive Designs. Ihre Stabilität in extremen Umgebungen und Beständigkeit gegen Korrosion, Kriechen und thermischen Schock machen sie ideal für die Luftfahrt.

Dieser Nickel-Chrom-Molybdän-Superlegierung kommt in Heißgaskomponenten von Turbinenschaufeln, Luftführungssystemen, Triebwerksabgassystemen zum Einsatz. Tatsächlich sind 50 % der in Flugzeug- und Raketentriebwerken verwendeten Materialien nickelbasierte Superlegierungen.

Inconel 718 und ähnliche Legierungen finden sich auch in Nicht-Luftfahrt-Anwendungen: Chemie- und Petrochemieanlagen (Behälter, Pumpen, Ventile, Rohrleitungen), Kraftwerke (Industriegasturbinen), U-Boote (Propellerschaufeln, Schnellkupplungen, Hilfsantriebsmotoren), Kernreaktoren (Wärmetauscherrohre, Fittings), Öl & Gas (Tiefbohrrohre, Wellkopfhardware, Fackelausleger).

Kryogene Anwendungen nutzen Inconel 718 wegen seiner Beständigkeit gegen spröden Bruch bei extrem niedrigen Temperaturen.

Inconel vs. Titan vs. Stahl

Wie im Diagramm rechts gezeigt, können nickelbasierte Legierungen wie Inconel 718 gegenüber Titan oder Stahl das richtige Material für harte Temperaturumgebungen sein. Oxidische Schutzschichten in nickelbasierten Legierungen steigern die mechanische Performance weiter. Die Tabellen unten listen Eigenschaften von Inconel 718, Edelstahl und Titan. Mehr Details zu all unseren Materialien bei Protolabs im Materialvergleichsleitfaden.

EIGENSCHAFTEN VON ADDITIVEM INCONEL 718

EIGENSCHAFTEN VON ADDITIVEM 17-4 PH EDELSTAHL

EIGENSCHAFTEN VON ADDITIVEM 316L EDELSTAHL

EIGENSCHAFTEN VON ADDITIVEM TITAN/Ti6AL-4V

Wo additive Fertigung ins Bild passt

Gewünschte Designs mit nicht-additivem Inconel zu erhalten, kann herausfordernd sein. Komponentenperformance leidet, wenn traditionelle Fertigungsmethoden mechanische Eigenschaften wie Hochtemperaturkorrosion und Kriechfestigkeit beeinträchtigen. Ein Glühschritt ist vor jedem Zerspanen, Schmieden oder Schweißen erforderlich. Additive Fertigung von Inconel 718 zeigt, dass mechanische Eigenschaften nicht geopfert werden – sie können sogar Guss- oder Schmiedeteileigenschaften übertreffen.

Die Luftfahrtindustrie, und Unternehmen wie GE Aviation, produzieren bereits additiv gefertigte Teile für Flugzeugtriebwerke. Designfreiheit, Bauteilreduktion, Lieferketteneffizienz rücken additiv gefertigte Luftfahrtkomponenten ins Rampenlicht, wenn Treibstoff- und Kosteneinsparungen erreicht werden.

Eine 2017 auf einer IOP-Konferenz vorgestellte Arbeit berichtete, dass mehrere additive Superlegierungs-Kryoanwendungen additive Fertigung nutzen. Rohre und Schalen, kryogene Aufhängungen und Unterstützungssysteme, Strukturen für Laufräder oder Pumpen, Ventilstiele, Kühlrohre, Heat Pipes, Thermoisolationsdesigns, Wärmetauscher, Gasspeicher in hochporösen Systemen – all diese eignen sich für Anwendungen, die hochfeste Superlegierungen bei Temperaturen von kryogen (-460 °F / -273 °C) bis 1.400 °F (760 °C) erfordern.

Die Entwicklung von Pulvermetallen, gekoppelt mit Fortschritten bei industriellen Metall-3D-Druckmaschinen, hat den branchenübergreifenden Dialog vorangetrieben, um die Vorteile additiv gefertigter Superlegierungen zu erschließen. Die Fähigkeit, Teile zu entwickeln, ist Realität für jeden, der Teile aus Inconel 718 fertigen möchte.

Bei Protolabs bieten wir Inconel 718 als additives Material für Bauteilvolumen bis 31,5 × 15,7 × 19,7 in (800 × 398 × 500 mm). Mit der GE Additive X Line 2000R in unserem Portfolio ebnen wir den Weg für Industrien, auf einen Einzelanbieter für große additive Inconel 718 Teile zu setzen.

Zudem können Wärmebehandlungen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durchgeführt werden. Eine Option: Warmisostatisches Pressen (HIP), das Dichte erhöht und Porosität reduziert.

Rachel Hunt ist Marketing Manager für 3D-Druck bei Protolabs. Ehemalige Protolabs-Kundin, mit Engineering- und Marketing-Positionen in der Medizintechnik. Globale Erfahrung mit Endkunden und Fertigungszulieferern zur Kommerzialisierung chirurgischer Geräte. B.S. Biomedical Engineering, NC State; Master Engineering Management, Duke University.